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Brennkraftturbine für Strahlantrieb Gegenstand der Erfindung ist eine
Brennkraftturbine für Strahlantriebe. Die Erfindung bezweckt die Erhöhung des Wirkungsgrades
solcher Anlagen.
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Erfindungsgemäß besitzt die neue Turbine eine Hülse (d. i. ein Ringkörper),
die auf ihrer Innenseite einige der Turbinenschaufeln trägt und gegenläufig zu einem
Teil der Verdichterschaufeln (innerhalb .der Hülse) bzw. gegenläufig zu anderen
Turbinenschaufeln (innerhalb der Hülse) umläuft. An ihrer Außenseite treibt die
Hülse Schaufeln für die Schuberhöhung des Strahles gegen fest stehende, demselben
Zweck dienende Schaufeln unter Reaktion von fest stehenden Schaufeln an, die unmittelbar
oder mittelbar mit den Turbinenschaufeln der Hülse zusammenarbeiten.
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Die Erfindung ist beispielsweise in den Zeichnungen dargestellt. Fig.
i ist ein schematischer Längsteilschnitt durch eine Brennkraftturbine für Strahlantrieb
nach der Erfindung.
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Fig. 2 ist eine Teilansicht der Diffusorschaufeln in Fig. i.
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Fig.3 ist ein Teilschnitt im wesentlichen nach der Linie III-III in
Fig. i.
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Die Fig. ¢ bis 10 sind schematische Schnitte durch andere Ausführungsformen
von Brennkraftturbinen für Strahlantrieb nach der Erfindung.
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Fig. 7 a zeigt die Anordnung der Turbinenschaufeln nach Fig. 7 in
der Abwicklung.
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Bei der Anordnung nach Fig. 1, , 2 und 3 schließt ein fest stehendes
Gehäuse i i die Anlage ein. Die umlaufende Hauptwelle 12 trägt einen Schaufelkranz
13 sowie die Schaufelkränze 14 der dritten Stufe des Verdichters. Mit letzteren
arbeiten äußere Schaufelkränze 15 der dritten Verdichterstufe
zusammen,
die an der Innenseite einer umlaufenden Hülse 16 befestigt sind. An einem Ende der
Innenseite von dieser befinden sich weitere Turbinenschaufelkränze 17, 18
sowie am anderen Ende Schaufelkränze i9 der zweiten Verdichterstufe. Die Schaufelkränze
ig arbeiten mit Schaufelkränzen 21 an der Außenseite eines Läufers 22 zusammen,
de? bei 23 auf der Hauptwelle i2 drehbar gelagert ist und mit dieser im gleichen
Drehsinn, jedoch,langsamer umläuft. Das Läufergehäuse 22 bildet gleichzeitig die
äußere Hülse 24 der ersten Verdichterstufe, die Schaufelkränze 25 trägt, welche
mit Schaufelkränzen 26 zusammenarbeiten, die mit der Hauptwelle 12 mit gleicher
Drehzahl umlaufen.
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In dem gezeichneten Ausführungsbeispiel dienen zur Erhöhung der Schubwirkung
des Strahles Schaufelkränze 28 an der Außenseite der umlaufenden Hülse 16, die mit
Schaufelkränzen 29 am feststehenden Gehäuse i i zusammenarbeiten. Das Reaktionsmoment,
das auf das Gehäuse i i durch die Vorrichtung 28, 29 ausgeübt wird, kann durch zweckentsprechende
Art des Strahlautritts aus dem Turbinentriebwerk aufgenommen werden. Zu diesem Zweck
wird am fest stehenden Gehäuse ii ein Diffusor 3 1 (Fig. 2) mit schrägen
Austrittsöffnungen 32 für den Turbinenaustrittsstrahl angeordnet.
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Beim Anlassen ist es zweckmäßig, die umlaufende Hülse 16 festzuhalten.
Dazu kann beispielsweise ein Sperrzahn 34 an der Hülse dienen, der mit einer Sperrklinke
35 zusammenarbeitet. Die Klinke 35 ist mit einer Membran 36 verbunden, auf die der
Druck der Vorrichtung zur Schuberhöhung 28, 29 entgegen dem Druck einer Feder 37
wirkt. Unter dem Druck dieser Feder steht die Klinke 35 infolgedessen zu Beginn,
d. h. beim Anlassen mit dem Sperrzahn 34 im Eingriff und verhindert ein Drehen der
Hülse 16. Sobald aber die Verbrennung und die Antriebswirkung der Turbine einsetzen,
beginnt die Hülse 16 sich in der anderen Richtung zu drehen; der durch die Vorrichtung
zur Schuberhöhung 28, 29 erzeugte und auf die Membran 36 wirkende Druck wird die
Sperrklinke 35 in ihre Ruhestellung bringen. Die Kammer 38 hinter der Membran besitzt
eine Drosselöffnung 39, damit sich die Rückkehrbewegung der Membran unter der Wirkung
der Feder 37 langsam vollzieht, sowie Rückschlagventile 41, die eine schnelle Bewegung
der Membran nach außen gestatten.
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Der hochgespannte Zündstrom wird über den Zwischenraum zwischen dem
fest stehenden Gehäuse i i und dem Teil 42 der Hülse 16, der die Brennkammer 43
umgibt, zweckmäßig mit Hilfe einer Funkenstrecke hinweggeführt, um die Notwendigkeit
von Gleitringen zu vermeiden. Eine solche Funkenstrecke ist bei 44 angedeutet; die
Teile der Funkenstrecke sind an solchen Stellen des Umfanges der Turbine gegenüber
dem Sperrzahn 34 angeordnet, daß sie miteinander ausgerichtet sind, wenn sich die
Hülse 16 in ihrer Arretierungsstellung befindet.
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In der ersten Stufe 25, 26 der äußeren Verdichterhülse 24 befindet
sich ein unter Zentrifugalwirkung ansprechendes Ventil46, das durch eine Feder in
der gezeichneten Offnungsstellung gehalten wird. Beim Anlassen strömt deshalb ein
Teil des in der ersten Stufe 25, 26 erzeugten Druckes durch die Ventilöffnung
47 ab und verringert dadurch die Neigung dieser ersten Stufe stehenzubleiben. Weiterhin
bewirkt die Verlangsamung der Schaufeln 2i, die gemeinsam mit der Hülse 24 umlaufen,
eine Herabsetzung der relativen Geschwindigkeit der Schaufeln i9 gegenüber den Schaufeln
21, so daß damit auch die Neigung der zweiten Stufe zum Stehenbleiben verringert
wird. (Es ist unwahrscheinlich, daß in der dritten Stufe 14, 15 des Verdichters
ein Stehenbleiben vorkommt, da dieser Verdichterteil einen kleineren Querschnitt
aufweist.) Sobald eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht ist, schließt sich das
Ventil 46.
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Bei der Bauart nach Fig. i bis 3 läuft also die Hülse 16 im Gegensinn
zur Drehrichtung der Verdichterschaufeln 14, die von der Hülse 16 umschlossen werden.
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In den Fig. 4 bis io tragen entsprechende Teile soweit wie möglich
die gleichen Bezugszeichen. In allen Figuren laufen die Turbinenschaufeln an der
Innenseite der Hülse gegenläufig zu anderen Turbinenschaufeln, die innerhalb der
Hülse umlaufen.
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Bei der Bauart nach Fig.4 sind auf der feststehenden Welle 5o Läufer
51, 52 und 53 eines mehrstufigen Verdichters gelagert. Die mit den umlaufenden Verdichterschaufeln
zusammenarbeitenden fest stehenden Schaufelkränze sind der Einfachheit halber aus
der Zeichnung fortgelassen. Die genannten Läufer sind mit den zugehörigen Turbinenteilen
54, 55 und 56 mechanisch gekuppelt. Die drei Turbinenteile arbeiten mit Schaufeln
57 an einer gegenläufig umlaufenden Hülse 58 der Turbine zusammen, die an ihrer
Außenseite Schaufeln 59 zur Schuberhöhung trägt, die mit fest stehenden Schaufeln
6o zusammenarbeiten.
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Die Strömungsrichtung ist durch Pfeile angedeutet. Sie ist in der
ersten und zweiten Verdichterstufe gleichgerichtet und verläuft in der dritten Verdichterstufe
entgegengesetzt. Nach dieser kehrt sich die Strömungsrichtung wieder um und führt
durch die Brennkammer 62, die in diesem Fall aus einer Anzahl einzelnes- Kammern
besteht, die im Kreis um die Hauptachse der An-Jage herum angeordnet sind. Aus der
Brennkammer treten die Gase in gleicher Strömungsrichtung in die Turbine über.
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Wie ohne weiteres ersichtlich ist, vereinigen sich die Austrittsgase
aus der Turbine mit denen der Schuberhöhungsvorrichtung und bilden mit ihnen gemeinsam
den Antriebsstrahl, wie dies durch Pfeile angedeutet ist.
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Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 5 sind die Läufer 54 52 und
53 der drei Verdichterstufen auf einer fest stehenden Hauptwelle 5o gelagert, und
auch hier sind wieder die fest stehenden Verdichterschaufeln aus der Darstellung
fortgelassen. Die
Läufer des Verdichters sind mechanisch mit den
Turbinenstufen 54, 55 und 56 gekuppelt, die mit Schaufelkränzen 57 an einer gegenläufigen
Hülse 58 zusammenarbeiten. Die Hülse 58 trägt an ihrer Außenseite Schaufelkränze
59 zur Schuberhöhung, die mit fest stehenden Schaufelkränzen 6o zu diesem Zweck
zusammenarbeiten.
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Ein Teil der von der Schuberhöhungsvorrichtung verdichteten Luft wird
der ersten Verdichterstufe und von hier der zweiten und dritten zugeführt, wie es
durch Pfeile angedeutet ist. Die Verbrennung wird in der Brennkammer 62 am Schwanzende
der Anlage durchgeführt. Die Brenngase gelangen dann unter Umkehrung der Strömungsrichtung,
wie es durch Pfeile angedeutet ist, zur Einlaßseite der Turbine, deren Auspuffgase
zusammen mit dem übrigen Teil der in der Schuberhöhungsvorrichtung verdichteten
Luft den Antriebsstrahl der Turbinenanlage bilden.
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Auch bei der Ausführungsform nach Fig.6 ist eine Anzahl von Verdichterläufern,
von denen drei mit 5r, 52 und 53 bezeichnet sind, auf der fest stehenden Hauptwelle
50 gelagert. Diese Läufer sind mit Turbinenteilen 54, 55 und 56 gekuppelt,
die mit gegenläufigen Turbinenschaufelkränzen 57 an einer Hülse 58 zusammenarbeiten.
Die Hülse 58 trägt an ihrer Außenseite Schaufelkränze 59 zur Schuberhöhung, die
mit fest stehenden Schaufelkränzen 6o zusammenarbeiten. Fest stehende Verdichterschaufeln
64 sitzen auf der Welle 5o.
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Bei dieser Bauart tritt die Verdichterluft bei 66 zu. Nach Durchströmung
des Verdichters kehrt sie ihre Strömungsrichtung in der Brennkammer 62 um und wird
dann der Turbine zugeleitet.
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Die aus der Turbine austretenden Gase strömen durch fest stehende
Eintrittsschaufeln 68 der Schuberhöhungsvorrichtung, die hohl sind. Schließlich
mischen sich die Austrittsgase der Turbine, wie durch Pfeile angedeutet, mit dem
Luftstrom aus der Schuberhöhungsvorrichtung zur Bildung des Schubstrahles.
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Die Bauart nach Fig. 7 ist der nach Fig. 6 sehr ähnlich, doch ist
zusätzlich zur Gegenläufigkeit der Hülse 58 noch eine Gegenläufigkeit zwischen den
benachbarten kombinierten Turbinen- und Verdichterschaufelkränzen vorgesehen. Die
Beschaufelung und Drehrichtungen sind in Fig. 7 a dargestellt.
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Man sieht, daß Teile des Verdichters, z. B. 51, 52, 53, die mit Turbinenteilen
54, 55 und 56 gekuppelt sind, sämtlich in einer Richtung umlaufen und auf der fest
stehenden Welle 50 gelagert sind. Mit den Turbinenteilen arbeiten Schaufeln
57 an einer gegensinnig umlaufenden Hülse 58 zusammen. Die Hülse 58 trägt außen
die Schaufelkränze 59, die mit den fest stehenden Schaufelkränzen 6o der Schuberhöhungsvorrichtung
zusammenarbeiten. Außerdem sind fest stehende Turbinenschaufelkränze 70 und
weitere Turbinenschaufelkränze, wie z. 13. 71. 72 und 73, vorgesehen, die
mit Verdichterteilen, wie z. B. 74, 75 und 76, gekuppelt sind und in der gleichen
Richtung umlaufen @vie die Hülse 58. Die vom Kompressor angesaugte Luft tritt bei
66 ein, kehrt ihre Strömungsrichtung in der Brennkammer 62 am Schwanzende der Anlage
um und tritt dann in die Turbine. Die Austrittsgase aus dieser strömen ebenfalls
wieder durch die fest stehenden hohlen Einlaßschaufeln 68 der Schuberhöhungsvorrichtung,
wie es durch Pfeile angedeutet ist, und mischen sich mit dem Luftstrom der Schuberhöhungsvorrichtung
zur Bildung des Schuhstrahles.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 sind die Läuferteile 51, 52, 53
des Verdichters wieder auf einer fest stehenden Welle 50 gelagert und mit
Turbinenteilen 54, 55 und 56 verbunden, die mit Turbinenschaufelkränzen 57 an einer
kurzen Hülse 58° zusammenarbeiten, die ihrerseits die umlaufenden Schaufeln 59 für
die Schuberhöhungsvorrichtung antreibt, die mit fest stehenden Schaufeln 6o zusammenarbeitet.
Bei dieser Ausführungsform ist ein Turbinenschaufelkranz 57 fest mit dem Schaufelkranz
78 des Verdichters verbunden, der auf der Welle 5o gelagert ist und gegensinnig
zu den Verdichterteilen 51, 52 und 53 umläuft. Die fest stehenden Verdichterschaufeln
sind mit 64 bezeichnet.
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Die. Luft für den Verdichter tritt bei 66 ein und kehrt ihre Strömungsrichtung
in der Verbrennungskammer 62 am Schwanzende der Anlage um, bevor sie in die Turbine
tritt. Die aus dieser einströmenden Gase kehren ebenfalls ihre Strömungsrichtung
um und mischen sich mit dem Luftstrom der Schuberhöhungsvorrichtung zur Bildung
des Schubstrahles.
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Im wesentlichen eine gleiche Einrichtung zeigt Fig. 9. Hier sind jedoch
zwei Kränze 57 gegensinnig umlaufender Turbinenschaufeln vorgesehen, die mit zwei
zugehörigen Verdichterschaufelkränzen 78 gekuppelt sind. Weiterhin werden bei dieser
Ausführungsform die Austrittsgase der Turbine zuerst durch die fest stehenden hohlen
Eintrittsschaufeln 68, zum Schluß durch die fest stehenden Austrittsschaufeln 8o
der Schuberhöhungsvorrichtung geleitet, um schließlich gemeinsam mit dem Luftstrom
der letzteren den Schubstrahl zu bilden. Dadurch werden die Temperaturen der Verdichtungsluft
der Schuberhöhungsvorrichtung und der Turbinenauspuffgase gegenseitig angeglichen
und die Schallgeschwindigkeitsgrenze der Mischung in der Düse heraufgesetzt. Die
Drücke der beiden Strömungsmedien sollten bei ihrer Mischung etwa gleich groß sein,
um Stoßwirkungen zu vermeiden; geringe Geschwindigkeitsunterschiede verursachen
nur zu vernachlässigende Verluste und können in vielen Fällen sogar erwünscht sein.
Die Schaufeln der Schuberhöhungsvorrichtung sollen steil sein bei negativer Beaufschlagung
für die berechnete Geschwindigkeit, um beim Steigen ein zufriedenstellendes Arbeiten
sicherzustellen.
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Die Anordnung nach Fig. 9 wird von allen hier besprochenen bisher
für die beste gehalten. Die Anlage baut kurz und besitzt bei leichtem Gewicht gedrängte
Bauart, bei der im wesentlichen kein Raum unausgenutzt bleibt. Sie bietet gute Möglichkeiten
für
den Antrieb der Hilfsgeräte, die Turbine ist kurz und besitzt einen guten Wirkungsgrad,
und es werden nur wenige Labyrinthdichtungen benötigt. Die Beanspruchungen liegen
günstig, und es wird eine ausgezeichnete Mischung der Austrittsgase der Turbine
mit der Verdichtungsluft der Schuberhöhungsvorrichtung erzielt.
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Die allgemeine Theorie der Mehrfachverbundmaschinen fordert, daß der
größte Teil der Nutzarbeit mechanisch entnommen wird, d. h., daß der Hauptteil der
Vortriebsarbeit bei Strahlantriebsanlagen durch eine Schubstrahlverstärkungsanlage
geliefert wird. In einer solchen wird die zutretende Luft verlangsamt und ihr Druck
durch Stoßwirkung erhöht. Nach einer Verdichtung in der Schuberhöhungsvorrichtung
dehnt sich die Luft in der Strahldüse wieder aus. Wenn ein Flugzeug mit einer solchen
Antriebsanlage aber steigt, ist die Stoßwirkung zu vernachlässigen und das Druckverhältnis
über alles in der Schuberhöhungsvorrichtung fällt beträchtlich, so daß der Strahldurchmesser
dazu neigt, zu schmal zu werden. Dieses Ergebnis wäre noch ungünstiger, wenn es
sich um einen Überschallstrahl in einer divergierenden Düse handeln würde, weil
der Strahl dann auf den kleinsten Querschnitt der Düse verkleinert würde und keine
Ausdehnung in dem sich verbreiterten Düsenteil stattfinden könnte, da infolge des
Fehlens einer Stoßwirkung das Druckverhältnis über alles in der Schuberhöhungsvorrichtung
gefallen sein würde. Wo jedoch Schallgeschwindigkeit die Grenze für die Strahlgeschwindigkeit
einer Anlage mit Schuberhöhung bildet und sowohl die Notwendigkeit des Steigens
als auch die Möglichkeit einer Leistungsregelüng in Betracht gezogen werden, ist
eine verhältnismäßig große Strahlgeschwindigkeit erwünscht, um der Luft in der Schuberhöhungsvorrichtung
den größten Betrag einer Beschleunigung über alles zu erteilen und dadurch einen
zu großen Prozentsatz von Einströmverlusten zu vermeiden. Wie jedoch festgestellt
wurde, wird durch Mischung der heißen Gase aus der Turbine mit der Luft der Schuberhöhungsvorrichtung
die Schallgeschwindigkeitsgrenze in der Düse erhöht.
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Diese Verhältnisse erfordern eine große langsam laufende Schuberhöhungsvorrichtung.
Indem man diese von einer gegensinnig umlaufenden Turbinenhülse, z. B. 58 oder 58°,
antreibt, kann die Turbine eine hohe Relativgeschwindigkeit ohne übermäßige Beanspruchungen
erhalten. Das notwendige Reaktiönsmoment wird zweckmäßig durch die Reaktion des
gesamten Verdichters geliefert; für ein sehr hohes Verdichtungsverhältnis reicht
dies gerade aus. Für die Entwurfsberechnung ist dies sehr günstig, wenn die Bedingung
des Nichtstehenbleibens einer regelbaren Verbundmaschine erfüllt werden soll. Im
allgemeinen scheinen die Schallgeschwindigkeit und die Leistungsbedingungen eine
befriedigende Anwendung von Maschinen von kleinem Durchmesser wegen der Beschränkung
auf Massenströmung auszuschließen.
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Es ist deswegen wichtig, die Länge über alles kurz zu halten, und
das ist wichtiger als eine Verringerung des Durchmessers der Anlage. Hinsichtlich
des Widerstandsverhaltens ist darauf hinzuweisen, daß es sich bei dem gesamten Widerstand
ausschließlich um Reihungswiderstand handelt und daß sich kein Formwiderstand entwickeln
kann.
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Die Bauart nach Fig. to veranschaulicht eine Mitteldruckmaschine mit
einen einzigen Läufer und Schuberhöhung. Die umlaufenden X"erdichterschaufelkränze
werden von einem Innenläufer 86 getragen, der fest mit den Turbinenschaufelkränzen
87 verbunden ist, die mit Turbinenschaufelkränzen 57 an der Innenseite einer kurzen,
gegensinnig umlaufenden Hülse 58° zusammenarbeiten, die die umlaufenden Schaufeln
59 für die Schuberhöhung trägt. Sowohl der innere Läuferteil als auch die Hülse
sind auf einer fest stehenden Welle 5o gelagert. Der Teil 6,4 trägt die fest stehenden
Verdichterschaufelkränze. 78 ist ein gegensinnig umlaufender Kranz von Verdichterschaufeln.
Die Luft tritt bei 66 ein, wird nach Durchströmung des Verdichters in der Brennkammer
62 am Schwanzende der Anlage in ihrer Strömungsrichtung umgedreht und dann der Turbine
zugeleitet. Die Austrittsgase der Turbine strömen durch hohle fest stehende Einlaßschaufeln
68 und Auslaßschaufeln 8o der Schubvergrößerungsvorrichtung, wie es für Fig.9 beschrieben
wurde, und mischen sich dann mit dem Luftstrom der Schuberhöhungsvorrichtung zur
Bildung des Schubstrahles.